УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОННОГО ГРУНТА Российский патент 1995 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к инженерно-геологическим исследованиям и может быть использовано для определения деформационно-прочностных свойств донных отложений в условиях естественного залегания.

Известен дистанционный пенетрометр, который содержит цилиндрический корпус с опорным фланцем и стабилизатором, конусный наконечник со штоком, на котором последовательно с определенным шагом размещены электроконтакты, считывающий контакт соединен с радиопередатчиком, расположенным в верхней части корпуса [1] При срабатывании пенетрометра с заданной высоты, например с вертолета, наконечник, внедряясь в грунт относительно опорного фланца, поочередно замыкает электроконтакты, сигналы от которых передаются на измерительную станцию, установленную на летательном аппарате. О прочности грунта судят по количеству замыканий электроконтактов.

Недостатками известного устройства являются малая производительность исследования, связанная с однократностью срабатывания пенетрометра; сложность применения его при глубоководных испытаниях из-за большого гидродинамического сопротивления и затрудненности передачи информации на дневную поверхность; а также невозможность повторного использования пенетрометра.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа самопишущий одноосный акселерометр, установленный на трубчатом пробоотборнике, содержащий инерционный груз, выполненный в виде цилиндра с диаграммной лентой, установленный на пружине электродвигатель, который посредством зубчатой передачи равномерно вращает цилиндр вокруг своей оси, и пишущий узел, перемещающийся вдоль оси пробоотборника и вычерчивающий на диаграммной ленте спиральную кривую [2] При ударе пробоотборника о дно под действием собственного веса акселерометр фиксирует его ускорение путем отклонения кривой от спирали, по которому определяют сопротивление грунта пенетрации пробоотборником и сдвиговую прочность грунта.

Недостатками этого устройства являются следующее:
низкая производительность исследования из-за однократного срабатывания и необходимости поднятия устройства на дневную поверхность для перезарядки пишущего узла;
малая информативность получаемых данных, которая обуславливает необходимость использования корреляционных зависимостей между отрицательными ускорениями пенетратора и характеристиками грунта;
сложность интерпретации свойств грунта, связанная с введением эмпирических коэффициентов, которые в большой степени зависят от конкретных условий зондирования и параметров пенетратора.

Цель изобретения повышение производительности и информативности исследования донных отложений.

Для этого в устройстве, содержащем корпус, подвешенный тросом к плавсредству, и акселерометр с регистратором ускорений, его погружная часть выполнена в виде полой сферы, внутри которой установлены измерительный преобразователь, состоящий из пьезоакселерометра и согласующего усилителя, регистрирующая аппаратура, включающая аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и устройство управления с магнитным ключом, батарейный блок питания и герметичный разъем. Бортовая часть включает микропроцессорное устройство управления с кнопкой пошагового режима, внутреннее полупроводниковое запоминающее устройство, внешний накопитель на базе кассетного магнитофона, индикаторное табло, сетевой блок питания и снабжена тремя разъемами для подключения микропроцессорного устройства управления к запоминающему устройству погружной части, внешнему накопителю и судовой ЭВМ.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 схема подвески погружаемой части устройства; на фиг. 3 графики зондирования донных отложений, где I ил; II супесь; III суглинок; на фиг. 4 исходный график ускорения w и расчетные графики скорости v и перемещения зонда в грунте x; на фиг. 5 графики интегральных значений вязкости μ и сцепления τ_o супеси; на фиг. 6 динамической несущей способности отложений σ_g, где I ил; II супесь; III суглинок.

Устройство для исследования донного грунта содержит бортовую 1 и погружаемую 2 части, соединенные тросом 3 с подводным носителем 4. Погружаемая часть (гравитационный зонд) 2 представляет собой герметичный корпус, выполненный в форме полой сферы, в которой размещены акселерометр, регистратор, магнитный выключатель и батарейный блок питания 5.

Акселерометр выполнен в виде пьезодатчика 6 и согласующего усилителя 7, вход которого соединен с выходом пьезодатчика 6. Регистратор содержит аналого-цифровой преобразователь 8, вход которого соединен с выходом согласующего усилителя 7, и запоминающее устройство (ЗУ) 9, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 8. Магнитный выключатель состоит из ключа 10 и устройства управления 11, выход которого соединен с входами согласующего усилителя 7, аналого-цифровое преобразователя 8 и запоминающего устройства 9. Выход регистратора соединен с бортовой частью 1 посредством герметичного разъема 12.

Бортовая часть 1 содержит микропроцессорное устройство управления 13 с кнопкой пошагового режима 14, внутреннее полупроводниковое запоминающее устройство (ЗУ) 15, вход/выход которого соединены с микропроцессорным устройством управления 13, сетевой блок питания 16 и индикаторное табло 17, вход которого соединен с выходом микропроцессорного устройства 13. При этом вход микропроцессорного устройства управления 13 соединен с выходом запоминающего устройства 15 погружаемой части 1, а выход посредством двух разъемов 18 с внешним накопителем (магнитофоном) 19 и электронной вычислительной машиной 20.

Устройство работает следующим образом.

Перед спуском устройства на дно устанавливают необходимые диапазон измеряемых ускорений и задержку включения регистрирующей аппаратуры. Поместив электронные блоки в корпус погружаемой части 2, герметизируют ее и разъем 12. Снаряженный корпус зонда подвешивают тросом 3 к подводному носителю 4, например фотопробоотборнику, или непосредственно к лебедке плавсредства 21. Перед началом погружения из корпуса зонда удаляют магнитный ключ 10, после чего устройство находится во включенном состоянии.

Погружаемую часть 2 устройства опускают на дно до контакта с грунтом. Регистрирующая аппаратура включается во время спуска зонда по истечении заданной задержки времени. Запись ударного импульса производится при заданном пороге чувствительности по ускорению и продолжается в течение 1 с. По окончании зондирования погружаемую часть устройства поднимают на плавсредство и включают его, устанавливая магнитный ключ 10 в корпус зонда.

Для расшифровки данных нагружаемую часть 2 подключают соединительным кабелем через герметичный разъем 12 к бортовой части 1 устройства и проводят запись информации во внутреннее запоминающее устройство 15. Затем производят герметизацию разъема 12, после чего устройство готово к следующему спуску.

Расшифровку и перезапись данных проводят по одному из режимов работы устройства: регистрация импульсов зонда на ЗУ 9; запись сигналов с ЗУ 9 погружаемой части 2 на ЗУ 15 бортовой части 1 устройства; индикация данных на табло 17 в пошаговом режиме; запись содержимого ЗУ 15 на внешний накопитель (кассетный магнитофон) 19; передача информации с внешнего накопителя 19 через разъем 18 на судовую ЭВМ 20.

Пример конкретного исполнения устройства для исследования донного грунта.

ПОГРУЖАЕМАЯ ЧАСТЬ
Диаметр сферического корпуса, мм 160
Масса снаряженного корпуса, кг 12
Акселерометр:
Диапазоны измеряемых ускорений, м/с² 1-100
5-500 Рабочий диапазон частот, Гц 0,5-250 Неравномерность ЧХ в рабочем диапазоне частот, 10
Регистратор: Разрядность АЦП, двоичных разрядов 8
Абсолютная погрешность пьезопреобразователя, 3
Частота опроса датчика, Гц 500
Емкость запоминающего устройства, Кбайт 4 Время записи одного ударного импульса, с 1 Число записывающих ударных импульсов за одно погружение 8
Магнитный выключатель: Дистанционное включение погружной части Магнитным
ключом Регулируемая задержка включения устройством 10; 20; 40; управления, мин 80; 160; 320 Порог чувствительности для автоматической записи ударного импульса, от верхней границы диапазона 10
Блок питания: Источник питания 2 элемента
типа "Корунд" Напряжение питания, В ±9
Длительность работы
без смены элементов, погружений 5
БОРТОВАЯ ЧАСТЬ
Емкость внутреннего ЗУ, Кбайт 6
Емкость внешнего накопи-
теля на кассете типа МК-60, Кбайт 300
Индикация сигналов на
табло, значащих цифр в
десятичной системе:
номер импульса 1
код АЦП 3 Напряжение питания, В 220 Потребляемая мощность, Вт 100
Свойства донного грунта в условиях естественного залегания определяют по форме ударного импульса гравитационного зонда и его массогабаритным параметрам. Регистрируемые сигналы обрабатывают следующим образом.

Исходный график торможения зонда ω разбивают на n интервалов с шагом dt, начиная с момента t_о вхождения зонда в грунт до его полной остановки Т (фиг. 4). Скорость движения зонда в грунте v(t) находят путем интегрирования графика ω (t) в обратном направлении, т. е. начиная с момента Т до t_о
v(t) v_т+ (t)dt, где v_т 0; ω_т 0.

Таким образом, при v(t) v|_to определится значение начальной скорости v_o в момент удара зонда о грунт. Перемещение x(t) находят интегрированием графика v(t) в прямом направлении
x(t) x_o+ v(t)dt, где x_о 0; v_o v_to.

Исходное управление движения зонда в грунтовой среде
m ω + F₈ + F_c Р, где Р и m вес и масса зонда;
F_b 3 πμ vmin(x,2r) составляющая общего сопротивления грунта, пропорциональная его вязкости и скорости нагружения;
F_c= 2dx составляющая, пропорциональная предельному напряжению сдвига (сцеплению) и не зависящая от скорости;
μ- динамическая структурная вязкость;
τ_o сцепление грунта;
r радиус зонда;
min(х, 2r) означает, что в расчетах принимается минимальное значение из двух величин х или 2r.

Принимается допущение, что вхождение зонда в грунт относительно медленное и квазистационарное (по сравнению со скоростью распространения в грунте упругой волны).

Hа каждом шаге квантования графиков ω(t), v(t) и x(t) вычисляют функции
f₁= dx f₂= v min(x,2r); f₃= g-ω и интегральные значения величин
a f21

Вязкость μ и сцепление τ_o грунта определяются в предположении изотропности исследованного слоя
μ · Па·c; τ_o= · Па
Расчетным характеристикам грунта соответствуют конечные значения величин μ и τ_o за время внедрения зонда в грунт (фиг. 5).

Динамическая несущая способность донного грунта определяется по формуле
σ_д=
Площадь диаграмм σ_д характеризует диссипацию грунта.

Применение устройства для исследования донного грунта позволяет повысить производительность и информативность исследования за счет многократного опробования грунта и записи ударных импульсов без подъема его погружной части на дневную поверхность, а также одновременной обработки получаемых данных с помощью бортовой части устройства, в результате чего определяют вязкость, сцепление, динамическую несущую способность и диссипацию донного грунта.

Автономность погружной части устройства позволяет применять его в комплекте с установками, в которых используется контакт лидирующего груза разведчика с грунтом, например в донных пробоотборниках, глубоководных фотоустановках и т. п. При этом для получения дополнительной информации о физико-механических свойствах грунта в условиях естественного залегания не требуется дополнительного судового времени, так как устройство полностью адаптируется к технологическим условиям основных операций (отбор пробы грунта, фотографирование дна и др. ). Это также повышает производительность исследования и снижает материальные и временные затраты при испытаниях грунта.

Использование: при проведении инженерно-геологических исследований и для определения деформационно-прочностных свойств донных грунтов в условиях естественного залегания. Сущность изобретения: устройство содержит соединенные тросом бортовую и погружаемую части. Погружаемая часть представляет собой герметичный корпус, выполненный в форме полой сферы, в которой размещены акселерометр, регистратор, магнитный выключатель и батарейный блок питания. Акселерометр выполнен в виде пьезодатчика и согласующего усилителя, вход которого соединен с выходом пьезодатчика. Регистратор содержит аналогоцифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом согласующего усилителя, и запоминающее устройство, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя. Бортовая часть содержит микропроцессорное устройство управления с кнопкой пошагового режима, внутреннее полупроводниковое запоминающее устройство, вход/выход которого соединены с микропроцессорным устройством управления, сетевой блок питания и индикаторное табло, вход которого соединен с выходом микропроцессорного устройства. При этом вход микропроцессорного устройства управления соединен с выходом запоминающего устройства погружаемой части, а выход - посредством двух разъемов с внешним накопителем и вычислительной машиной. 6 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОННОГО ГРУНТА, содержащее соединенные тросом бортовую и погружаемую части, при этом погружаемая часть выполнена в виде герметичного корпуса, содержащего акселерометр и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности и информативности исследования донных грунтов, герметичный корпус выполнен в форме полой сферы, в котором размещены магнитный выключатель и батарейный блок питания, акселерометр выполнен в виде пьезодатчика и согласующего усилителя, вход которого соединен с выходом пьезодатчика, регистратор содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом согласующего усилителя, и запоминающее устройство, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, магнитный выключатель состоит из ключа и устройства управления, выход которого соединен с входами согласующего усилителя, аналого-цифрового преобразователя и запоминающего устройства, выход которого является выходом регистратора и соединен с бортовой частью посредством герметичного разъема, бортовая часть содержит внешний накопитель, вычислительную машину, микропроцессорное устройство управления с кнопкой пошагового режима, внутреннее полупроводниковое запоминающее устройство, вход-выход которого соединены с микропроцессорным устройством управления, сетевой блок питания и индикаторное табло, вход которого соединен с выходом микропроцессорного устройства, при этом вход микропроцессорного устройства управления соединен с выходом регистратора, а выход посредством двух разъемов с внешним накопителем и вычислительной машиной.